阅读说明：本技术 一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制系统及方法 (Rotor vibration suppression system and method in magnetic suspension bearing system ) 是由 朱益利 于建英 李渊 张恒 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明属于磁悬浮轴承技术领域,具体涉及一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制系统及方法,当转子受到干扰力时,转子扰动补偿观测器接收转子振动位移信号、转子振动加速度信号后,发送转子振动抑制补偿控制信号,再通过功率放大器调节控制电流,提供电磁力；当基座受到干扰力时,基座加速度前馈补偿器接收基座振动加速度信号后,发送基座加速度前馈补偿信号,再由位置控制器提供参考位移；当磁悬浮轴承系统失控时,切断位置误差控制通道,加入失稳后转子振动抑制控制信号,抑制转子在保护轴承中产生全间隙涡动；同时转子扰动补偿观测器发送转子振动抑制补偿控制信号,通过功率放大器调节磁悬浮轴承的控制电流,提供电磁力。(The invention belongs to the technical field of magnetic suspension bearings, and particularly relates to a system and a method for suppressing rotor vibration in a magnetic suspension bearing system, wherein when a rotor is subjected to interference force, a rotor disturbance compensation observer receives a rotor vibration displacement signal and a rotor vibration acceleration signal, then sends a rotor vibration suppression compensation control signal, and adjusts a control current through a power amplifier to provide electromagnetic force; when the base is subjected to interference force, the base acceleration feedforward compensator sends a base acceleration feedforward compensation signal after receiving a base vibration acceleration signal, and then the position controller provides reference displacement; when the magnetic suspension bearing system is out of control, cutting off the position error control channel, adding a destabilized rotor vibration suppression control signal, and suppressing the rotor from generating full-gap whirling in the protection bearing; and meanwhile, the rotor disturbance compensation observer sends a rotor vibration suppression compensation control signal, and the control current of the magnetic suspension bearing is adjusted through the power amplifier to provide electromagnetic force.)

一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制系统及方法

技术领域

本发明属于磁悬浮轴承技术领域，具体涉及一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制系统及方法。

背景技术

磁悬浮轴承是利用电磁力实现无接触的新型轴承，常应用于转子转速较高场合。目前，磁悬浮轴承控制系统基本上均采用基于转子位置误差的控制策略，即应用位移传感器检测转子的实时振动位移，与基准位移进行比较得到位移误差，再经过控制器、功率放大器、磁悬浮轴承定子产生相应的电磁力来消除位移误差。

在目前的控制策略中，当磁悬浮轴承支撑下的高速旋转转子受到外界干扰力作用时，将首先产生转子振动加速度，经过对时间的两次积分才会反映到转子振动位移上，而只有等到反映到转子振动位移上时，控制器才可对位移误差进行控制，存在一定的滞后性。这种滞后性使转子在干扰力施加后必然产生相应振动位移，如图1、2所示，极大地限制了磁悬浮轴承在一些要求转子具有较高位置控制精度的场合中的应用，如高档数控机床中使用的磁悬浮电主轴。当磁悬浮轴承支撑下的高速旋转转子受到外界干扰力过大时，可导致转子与磁悬浮轴承系统中起到临时支撑转子、保护系统安全的保护轴承发生碰撞，转子与保护轴承之间的碰撞力可使转子进入非线性运动状态，使存在滞后性的磁悬浮轴承控制系统无法恢复转子再悬浮，即控制失稳，如图3、4所示，进而可能造成定子和转子的损坏。当基座受到外部干扰力时，首先引起基座的振动，导致磁悬浮轴承定子特别是位移传感器与转子之间的相对位置发生变化，位移传感器反馈信号的变化将引起转子的振动，过大的扰动同样可能导致控制系统失稳。

以上问题之所以存在，主要因为传统磁悬浮轴承系统的位置误差控制策略具有滞后性，且不具备基座位移补偿和控制失稳后快速抑制转子振动的能力。现有技术中对磁悬浮轴承系统中转子受到干扰力引起的振动抑制研究，仅基于位移信号观测出的补偿力存在较大的误差(受采样频率和信噪比影响较大)，难以实现对随机干扰力的准确实时补偿；对干扰力引起的系统失稳后再悬浮的研究，由于基于转子位移的分析存在较大误差，磁悬浮轴承无法及时提供合适的主动抑制力，不能快速降低转子的冲击和振动，难以快速实现磁悬浮轴承系统再悬浮。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的是提供一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制系统及方法。

本发明提供了如下的技术方案：

一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制系统，包括：磁悬浮轴承系统、位移传感器、基座加速度前馈补偿器、转子扰动补偿观测器、陷波滤波器、位置控制器、功率放大器；

位移传感器用于检测转子位移；在位移传感器的调理电路中加入两个微分电路和滤波环节，对转子振动位移信号进行两次微分得到转子振动加速度信号；

转子扰动补偿观测器用于接收转子振动位移信号、转子振动加速度信号，并向功率放大器发送转子振动抑制补偿控制信号；

功率放大器用于调节磁悬浮轴承的控制电流；

基座加速度前馈补偿器用于接收基座振动加速度信号，并向位置控制器发送基座加速度前馈补偿信号；

位置控制器用于对基座位移提供补偿位移，并向功率放大器发送位置误差控制信号；

陷波滤波器用于提取与转子转动频率相同的扰动信号。

还包括转子受力估算模块和电磁力估算模块，转子受力估算模块接收转子振动加速度信号，电磁力估算模块接收控制信号；转子受力估算模块和电磁力估算模块用于实时评估转子振动抑制效果，并给出预警信号。

一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制方法，

当转子受到外部干扰力时，开启位置误差控制通道，转子扰动补偿观测器接收转子振动位移信号、转子振动加速度信号后，发送转子振动抑制补偿控制信号，再通过功率放大器调节磁悬浮轴承的控制电流，提供与外部干扰力方向相反的电磁力，抑制转子振动；

当基座受到外部干扰力时，开启位置误差控制通道，基座加速度前馈补偿器接收基座振动加速度信号后，发送基座加速度前馈补偿信号，再由位置控制器提供补偿基座振动位移的参考位移，抑制转子振动；

当磁悬浮轴承系统失控时，切断位置误差控制通道，加入失稳后转子振动抑制控制信号，抑制转子在保护轴承中产生全间隙涡动；同时转子扰动补偿观测器发送转子振动抑制补偿控制信号，通过功率放大器调节磁悬浮轴承的控制电流，提供与外部干扰力方向相反的电磁力，抑制转子振动；当磁悬浮轴承系统可控时，开启位置误差控制通道，切断失稳后转子振动抑制控制信号，令转子再悬浮；

所述位置误差控制通道包括：将转子和基座不受扰动时的转子位移与设定悬浮位置量作差得到误差信号一；将误差信号一中与转子转动频率相同的扰动信号滤除，得到误差信号二；位置控制器接收误差信号二后，向功率放大器发送位置误差控制信号，功率放大器调节磁悬浮轴承的控制电流，使转子稳定悬浮在定子中间，并绕其惯性主轴旋转。

还包括接收转子振动加速度信号的转子受力估算模块和接收控制信号的电磁力估算模块；转子受力估算模块和电磁力估算模块用于实时评估转子振动抑制效果，并给出预警信号。当转子受力估算模块评估发现转子悬浮效果和抗干扰能力差但尚未失稳时，继续对补偿可控性进行评估；当电磁力估算模块发现补偿电磁力变化率大于磁悬浮轴承能响应的电磁力最大变化率，或补偿力所需要的控制信号期望的电流变化率大于功率放大器能够响应的最大电流变化率时，给出预警信号。

所述转子受力估算模块用于评估磁悬浮轴承系统是否可控。

所述转子位移由位移传感器测得。

转子振动加速度信号通过在位移传感器的调理电路中加入两个微分电路和滤波环节，对转子振动位移信号进行两次微分得到。

与转子转动频率相同的扰动信号由陷波滤波器提取。

设定时间节点，当在设定时间内未实现转子再悬浮时，切断磁悬浮轴承支撑和电机驱动。

本发明的有益效果是：

本发明能够使磁悬浮轴承能在转子受到外部干扰力时，及时提供与干扰力方向相反的电磁力去抑制转子振动加速度，以避免后期转子大幅振动位移的出现；使磁悬浮轴承定子基座受到外部干扰力时，及时提供补偿参考位移，抑制转子大幅振动；使在强冲击导致磁悬浮轴承失稳后，快速抑制转子大幅高频振动。本发明使得转子受到外界小幅低频干扰力时，能及时补偿，转子振幅抑制效果达70％以上；当基座受到小幅低频干扰力时，能及时提供补偿参考位移，转子振幅抑制效果达70％以上；当转子受到的外界大幅高频干扰力时，能在一定程度上降低磁悬浮轴承控制系统发生失稳的可能性，并能在失稳出现后，快速抑制转子大幅振动，帮助磁悬浮轴承系统在转子不降速的情况下实现再悬浮。

附图说明

图1是小幅干扰力对转子振动影响时转子振动位移图；

图2是小幅干扰力对转子振动影响时转子轴心轨迹图；

图3是大幅干扰力对转子振动影响时转子振动位移图；

图4是大幅干扰力对转子振动影响时转子轴心轨迹图；

图5是本发明的控制流程图。

图中标记为：转子位移101、基座加速度前馈补偿信号102、设定悬浮位移量103、与转子转动频率相同的扰动信号104、误差信号二105、失稳后转子振动抑制控制信号106、位置误差控制信号107、转子振动抑制补偿控制信号108、功率放大器109、控制电流110、电流刚度系数111、转子所受电磁力112、转子所受扰动力113、基座振动加速度信号114、位移刚度系数115、位移传感器116、微分电路一117、微分电路二118、转子加速度信号传递函数119、转子振动加速度信号120、位置控制器121。

具体实施方式

如图5所示，一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制系统，包括：磁悬浮轴承系统、位移传感器、基座加速度前馈补偿器、转子扰动补偿观测器、陷波滤波器、位置控制器、功率放大器；位移传感器用于检测转子位移；在位移传感器的调理电路中加入两个微分电路和滤波环节，对转子振动位移信号进行两次微分得到转子振动加速度信号；转子扰动补偿观测器用于接收转子振动位移信号、转子振动加速度信号，并向功率放大器发送转子振动抑制补偿控制信号；功率放大器用于调节磁悬浮轴承的控制电流；基座加速度前馈补偿器用于接收基座振动加速度信号，并向位置控制器发送基座加速度前馈补偿信号；位置控制器用于对基座位移提供补偿位移，并向功率放大器发送位置误差控制信号；陷波滤波器用于提取与转子转动频率相同的扰动信号。还包括转子受力估算模块和电磁力估算模块，转子受力估算模块接收转子振动加速度信号，电磁力估算模块接收控制信号；转子受力估算模块和电磁力估算模块用于实时评估转子振动抑制效果，并给出预警信号。

一种磁悬浮轴承系统中转子振动抑制方法，包括位置误差控制通道，位置误差控制通道包括：将转子和基座不受扰动时的转子位移101与设定悬浮位置量103作差得到误差信号一；将误差信号一中与转子转动频率相同的扰动信号104滤除，得到误差信号二105；位置控制器121接收误差信号二105后，向功率放大器109发送位置误差控制信号107，功率放大器109调节磁悬浮轴承的控制电流110，使转子稳定悬浮在定子中间，并绕其惯性主轴旋转，提高系统的稳定性。其中，转子位移101由位移传感器116测得，与转子转动频率相同的扰动信号104由陷波滤波器提取。

当转子受到外部干扰力时，开启位置误差控制通道，即功率放大器109接收位置误差控制信号107，转子扰动补偿观测器接收转子振动位移信号、转子振动加速度信号120后，发送转子振动抑制补偿控制信号108，再通过功率放大器109调节磁悬浮轴承的控制电流110，提供与外部干扰力方向相反的电磁力，抑制转子振动。其中，转子振动加速度信号120通过在位移传感器116的调理电路中加入两个微分电路和滤波环节，对位移信号进行两次微分得到。两个微分电路分别为微分电路一117和微分电路二118。

当基座受到外部干扰力时，开启位置误差控制通道，即功率放大器109接收位置误差控制信号107，基座加速度前馈补偿器接收基座振动加速度信号114后，发送基座加速度前馈补偿信号102，再由位置控制器121提供补偿基座振动位移的参考位移，及时补偿转子可能出现的大幅振动。

还设置有接收转子振动加速度信号120的转子受力估算模块和接收控制信号的电磁力估算模块；转子受力估算模块和电磁力估算模块用于实时评估转子振动抑制效果，并给出预警信号。当转子受力估算模块评估发现转子悬浮效果和抗干扰能力差但尚未失稳时，继续对补偿可控性进行评估；当电磁力估算模块发现补偿电磁力变化率大于磁悬浮轴承能响应的电磁力最大变化率，或补偿力所需要的控制信号期望的电流变化率大于功率放大器能够响应的最大电流变化率时，给出预警信号。

当磁悬浮轴承系统失控时，切断位置误差控制通道，即切断位置误差控制信号107，加入失稳后转子振动抑制控制信号106，抑制转子在保护轴承中产生全间隙涡动；同时转子扰动补偿观测器发送转子振动抑制补偿控制信号108，通过功率放大器109调节磁悬浮轴承的控制电流110，提供与外部干扰力方向相反的电磁力，抑制转子振动，从而快速抑制转子大幅高频振动；当转子受力估算模块评估磁悬浮轴承系统可控时，开启位置误差控制通道，即功率放大器109接收位置误差控制信号107，切断失稳后转子振动抑制控制信号106，令转子再悬浮。同时可设定时间节点，当在设定时间内未实现转子再悬浮时，切断磁悬浮轴承支撑和电机驱动，保证系统的安全。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。